JP2007103309A - 二次電池の過放電保護回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負荷側に接続される一対の出力端子T1,T2の間で二次電池RBと直列に接続された第1のスイッチング素子FSと、過放電状態にあると検出されたときに第1のスイッチング素子FSをオフ状態とする第2のスイッチング素子SSとが備えられた二次電池の過放電保護回路において、第1のスイッチング素子FSよりも出力端子側の電位に基づいて切換えられる第3のスイッチング素子TSと、第2のスイッチング素子SSが第1のスイッチング素子FSをオフ状態とさせるための通電経路の途中に配置された第4のスイッチング素子YSとが備えられ、第3のスイッチング素子TSは、オン状態からオフ状態へ移行するに伴って第1のスイッチング素子FSと第4のスイッチング素子YSとをオフ状態とする。
【選択図】図1
Description
かかる過放電保護回路は、例えば、下記特許文献1に記載のように、二次電池の出力電圧が設定電圧よりも低下して過放電状態になっていることを検出すると、スイッチング素子をオフ状態として二次電池からの放電を禁止する構成が考えられている。
すなわち、二次電池は、出力電圧が低下して過放電状態と検出され、一旦放電が禁止されても、負荷側と切断されることによって出力電圧が回復してしまう性質を有する。
この出力電圧の回復にともなって過放電状態ではないと判断されると、二次電池からの放電が再開されてしまい、以降は、放電の禁止と再開と繰り返すことになる。
この放電の禁止と再開とを繰り返してしまうことによって、せっかく過放電からの保護のための回路を備えているにも拘わらず二次電池を劣化させてしまうことになる。
このため、二次電池が一旦放電禁止の状態に移行すると、二次電池の出力電圧が回復しても放電禁止の状態を維持させる回路を備えることも考えられている。
ところが、過放電保護回路の構成態様によっては、二次電池を放電禁止の状態に維持する際に過放電保護回路内で電力が消費される場合があり、このような電力は二次電池から供給される。
二次電池を放電禁止の状態に維持するための電力は、わずかではあっても二次電池を放電させるので、放電の進行した二次電池に悪影響を及ぼす場合もある。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、二次電池を過放電から保護するべく放電禁止の状態を維持する際に、回路の消費電力を可及的に低減する点にある。
第1のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行すると第3のスイッチング素子がオフ状態に移行し、第3のスイッチング素子がオフ状態になると第1のスイッチング素子をオフさせる状態となる。
このように第3のスイッチング素子が第1のスイッチング素子をオフ状態に維持させているので、放電停止によって二次電池の出力電圧が回復して、過放電検出回路が放電を禁止する信号を解除して第2のスイッチング素子が第1のスイッチング素子をオン状態への移行を許容する信号を出力したとしても、第1のスイッチング素子がオン状態となることはなく、第1のスイッチング素子がオフ状態のままであるので第3のスイッチング素子がオン状態となることもなく、放電禁止の状態が維持される。
すなわち、放電禁止が維持されている状態では、第1のスイッチング素子や第3のスイッチング素子はオフ状態を維持するので低消費電力化が極めて容易であるのに対して、第2のスイッチング素子は、過放電検出回路の検出信号に基づいてオン状態とオフ状態とに切換えられる動作を継続することになり、その動作で消費される電力を二次電池が放電することになってしまう。
そこで、第2のスイッチング素子が第1のスイッチング素子をオフ状態とさせるための通電経路の途中にその通電経路の通電を許容するオン状態と禁止するオフ状態とに切換えられる第4のスイッチング素子を配置すると共に、その第4のスイッチング素子のオンオフの制御を第3のスイッチング素子に委ねて、第3のスイッチング素子が第1のスイッチング素子をオフ状態に維持させるのと連動して第4のスイッチング素子をもオフ状態としてしまう。
これによって、過放電検出回路の検出情報に基づいて第1のスイッチング素子をオフ状態とする動作は機能しなくなり、それだけ放電禁止の状態が維持されている状態の消費電力を低減することになる。
もちろん、この動作が機能しなくても、この時点では、第3のスイッチング素子によって第1のスイッチング素子をオフ状態に維持しているので全く問題はない。
すなわち、過放電検出回路からの検出信号を受入れる第2のスイッチング素子をMOSFET等のFETにて構成したのでは、二次電池の負荷である電気機器側で発生するノイズによって誤動作し、的確な放電禁止動作を行えない場合がある。
このような誤動作を防止するためには、ゲート−ソース間にコンデンサを接続することになるが、それでは実用上十分な応答速度を得ることが困難となってしまう。
そこで、第2のスイッチング素子をノイズ耐性の良好なバイポーラトランジスタとしている。
ところが、第2のスイッチング素子をバイポーラトランジスタとして、第2のスイッチング素子がオン状態で第1のスイッチング素子がオフ状態になるようにすると、第1のスイッチング素子をオフ状態とする間、第2のスイッチング素子にはベース電流が流れ続けて二次電池の電力を消費してしまうことになる。
このような場合に、上述の第4のスイッチング素子を備えて第2のスイッチング素子に流れる電流を阻止して消費電力の低減を図ることが特に有効となる。
又、上記第2の発明によれば、第2のスイッチング素子をバイポーラトランジスタとして回路動作の安定化を図りながらも、回路の消費電力を低減することができる。
本実施の形態の二次電池の過放電保護回路は、図1に示すように、二次電池RBとして3個のリチウムイオン電池の電池セルC1,C2,C3を直列接続して構成した組電池を保護の対象としており、二次電池RBを収納する電池パックBPに、過放電保護回路GCが内蔵されている。
この電池パックBPは、二次電池RBに対する負荷である各種の電気機器に取付けられて、負荷と接続する一対の出力端子T1,T2から負荷側へ電力が供給される。
過放電保護回路GCは、二次電池RBの各電池セルC1,C2,C3毎に、各電池セルC1,C2,C3が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路1と、前記一対の出力端子T1,T2の間で二次電池RBと直列に接続されて二次電池RBの出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第1のスイッチング素子FSと、過放電検出回路1が出力する過放電状態の検出信号に基づいてオン状態とオフ状態とに切換えられて前記過放電状態にあると検出されたときに第1のスイッチング素子FSをオフ状態とする第2のスイッチング素子SSと、第1のスイッチング素子FSが一旦オフ状態となったときに、第1のスイッチング素子FSをそのオフ状態に維持するための第3のスイッチング素子TSと、第2のスイッチング素子SSが第1のスイッチング素子FSをオフ状態とさせるための通電経路の途中に配置されてその通電経路の通電を許容するオン状態と禁止するオフ状態とに切換えられる第4のスイッチング素子YSとを主要部として構成されている。
本実施の形態では、第1のスイッチング素子FSは、一対の出力端子T1,T2のうちの−側の出力端子T2に近い側に配置されている。
各過放電検出回路1には、電池セルC1,C2,C3の電圧が設定電圧以下となったことを検出する電圧検出回路11と、電圧検出回路11によってオン状態とオフ状態とに切換えられるMOSFET12とを主要部として構成されている。
本実施の形態では、第2のスイッチング素子SSはバイポーラトランジスタにて構成され、第1のスイッチング素子FS,第3のスイッチング素子TS及び第4のスイッチング素子YSはFET(より具体的にはMOSFET)にて構成されている。
ここで、第2のスイッチング素子SSのみをバイポーラトランジスタにて構成しているのは、この第2のスイッチング素子SSをFETにて構成したのでは、電気機器側で発生するノイズによって誤動作し、的確な放電禁止動作を行えないからである。
ちなみに、この第2のスイッチング素子SSをMOSFET等のFETにて構成しても、ゲート−ソース間にコンデンサを接続することで、ノイズによる誤動作を防ぐことが可能ではあるが、実用上で十分な応答速度を得ることが困難となってしまう。
各電圧検出回路11のMOSFET12のドレイン側は、抵抗13及びダイオード14を経て一本の信号線にまとめられ、第2のスイッチング素子SSのベースに入力されている。
電池パックBPが負荷の電気機器に正常に電圧を供給している状態では、各過放電検出回路1のMOSFET12はオフ状態であるので、第2のスイッチング素子SSもオフ状態となっている。
第3のスイッチング素子のオンオフ制御用の入力であるゲートは、抵抗15を介して、第1のスイッチング素子FSよりも出力端子側(図1の回路では−の出力端子T2側)に接続され、更に、第3のスイッチング素子TSのゲートは抵抗16を介して二次電池RBの+側に接続されている。
これによって、第3のスイッチング素子TSは、第1のスイッチング素子FSよりも出力端子側(図1の回路では−の出力端子T2側)の電位に基づいてオン状態とオフ状態とに切換えられ、第1のスイッチング素子FSがオン状態にあるときは、抵抗16と抵抗15との比率で決まる電圧が第3のスイッチング素子TSのゲート−ソース間に印加され、第3のスイッチング素子TSはオン状態となり、第1のスイッチング素子FSがオン状態からオフ状態へ移行すると、第1のスイッチング素子FSよりも出力端子側(図1の回路では−の出力端子T2側)の電位が二次電池RBの−側から切り離されて、第3のスイッチング素子TSはオン状態からオフ状態へ移行する。
従って、第1のスイッチング素子FSは、第3のスイッチング素子TSがオン状態のときは、抵抗17と抵抗19との比率によって決まる電圧がゲート−ソース間に印加されてオン状態となり、第3のスイッチング素子TSがオフ状態になるとゲート−ソース間に印加される電圧が低下してオフ状態となる。
又、第2のスイッチング素子SSのエミッタは、第4のスイッチング素子YSのドレイン側に接続され、第4のスイッチング素子YSのソース端子は二次電池RBの−側に接続されている。
第4のスイッチング素子のオンオフ制御用の入力であるゲートは、抵抗20を介して二次電池RBの−側に接続され、更に、抵抗21を介して第3のスイッチング素子TSのドレイン側に接続されている。換言すると、第3のスイッチング素子TSは、第1のスイッチング素子FSの存在側とは反対側の出力端子(図1の回路では+側の出力端子T1)と第4のスイッチング素子YSのゲートとの間に抵抗21を介して接続されていることにもなっている。
第4のスイッチング素子YSがオン状態のときに、第2のスイッチング素子SSがオン状態となると、抵抗18及び抵抗19にかかる電圧では、第1のスイッチング素子FSをオフ状態とするようにこれらの抵抗値が設定されているので、第1のスイッチング素子FSはオフ状態となる。
従って、第1のスイッチング素子FSは、第2のスイッチング素子SSがオン状態となるか、あるいは、第3のスイッチング素子TSがオフ状態となるかの何れか一方によってオフ状態となる。すなわち、第2のスイッチング素子SSあるいは第3のスイッチング素子TSのいずれか一方でも、第1のスイッチング素子FSに対してオフ指令を出力すると第1のスイッチング素子FSがオフ状態となる。
次ぎに、図1の回路の過放電保護の動作について説明する。
電圧検出回路11は、電池セルC1,C2,C3の電圧が設定電圧以下となったとき、MOSFET12のゲート電圧を低下させてMOSFET12をオフ状態からオン状態へ移行させる。
これに伴って、+側の出力端子T1の電圧が抵抗13及びダイオード14を経て出力され、第2のスイッチング素子SSがオン状態となる。すなわち、電池セルC1,C2,C3の何れか一つでも設定電圧以下になると、第2のスイッチング素子SSがオン状態となる。
第1のスイッチング素子FSがオフ状態となると、第3のスイッチング素子TSのゲートが二次電池RBの−側から切り離され、抵抗16の作用によってゲート電位が上昇し、第3のスイッチング素子TSがオフ状態となる。
第3のスイッチング素子TSは、第1のスイッチング素子FSがオン状態とならない限りオン状態とならず、更に、上述のように、第1のスイッチング素子FSは、第2のスイッチング素子SS又は第3のスイッチング素子TSのいずれか一方でも第1のスイッチング素子FSに対してオフ指令を出力するときにオフ状態となるので、第1のスイッチング素子FSはオン状態に復帰することなくオフ状態すなわち放電禁止の状態を維持する。
第4のスイッチング素子YSは、第2のスイッチング素子SSのベース電流の通電経路に配置されているので、過放電検出回路1が第2のスイッチング素子SSをオン状態とするように制御しても、第4のスイッチング素子YSによって阻止されて第2のスイッチング素子SSにベース電流は流れない。
次ぎに、放電禁止の維持状態を解除するための構成とその動作について説明する。
放電禁止の維持状態を解除するには、第3のスイッチング素子TSをオン状態とする必要があるが、このために、第1のスイッチング素子FSをオン状態とするのに相当する状態を作り出す。
このための構成として、電池パックBPは、前記一対の出力端子T1,T2とは別に、第1のスイッチング素子FSよりも二次電池RB側(すなわち、本実施の形態では、二次電池RBの−側)に接続された制御端子T3を備えている。
この制御端子T3と、一対の出力端子T1,T2のうちの第1のスイッチング素子FSに近い側の出力端子(本実施の形態では、−側の出力端子T2)とを外部回路によって電気的に接続することで、第3のスイッチング素子TSのゲートを二次電池RBの−側に接続する。
充電器CHには、電気機器から取外した電池パックBPの一対の出力端子T1,T2に接続する充電端子T4,T5と、電池パックBPの制御端子T3に接続する解除用端子T6とが備えられ、更に、一対の出力端子T1,T2のうちの第1のスイッチング素子FSに近い側の出力端子である−側の出力端子T2に接続する−側の充電端子T5と解除用端子T6とを電気的に接続するための接続手段であるスイッチ31と、スイッチ31のオンオフを制御する解除回路制御部32と、一対の充電端子T4,T5に充電用電力を供給する充電回路33とが備えられている。
これによって、電池パックBP側では、第3のスイッチング素子TSのゲートが抵抗15を介して二次電池RBの−側に接続され、第1のスイッチング素子FSがオン状態になったのと同等の状態となって、第3のスイッチング素子がオン状態へ移行する。
この時点では、放電禁止の状態を維持することによって、二次電池RBの出力電圧は多少回復しており、第2のスイッチング素子SSがオフ状態となっているので、第3のスイッチング素子TSがオン状態に移行するに伴って第1のスイッチング素子FSがオン状態に移行して、放電禁止の維持状態が解除される。第3のスイッチング素子TSは、これと並行して、第4のスイッチング素子YSもオン状態とする。
しかも、電池パックBPと充電器CHとを接続していても、電源プラグ34をコンセントに差し込んでいないような充電開始前の状態では、二次電池RBの放電禁止の状態が維持されて、二次電池RBをより確実に保護することになっている。
以下、本発明の別実施形態を列記する。
(1)上記実施の形態では、二次電池RBとして電池セルC1,C2,C3を3個直列接続したものを例示して説明しているが、電池セルの個数や接続形態は種々に変更可能である。
(2)上記実施の形態では、過放電検出回路1が各電池セルC1,C2,C3毎に過放電状態か否かを検出する場合を例示しているが、過放電検出回路1が、各電池セルC1,C2,C3毎ではなく、二次電池RB全体としてまとめて過放電状態か否かを検出するように構成しても良い。
この場合、前記第4のスイッチング素子YSの配置位置としては、過放電検出回路1へ動作電圧を供給する配線の途中に配置しても良い。
このような配線も、第2のスイッチング素子SSが第1のスイッチング素子FSをオフ状態とさせるための通電経路であり、この通電経路を第4のスイッチング素子YSにて遮断することで、第2のスイッチング素子SSが第1のスイッチング素子FSをオフ状態とする機能を停止させて消費電力の低減を図れる。
このように、第4のスイッチング素子YSを配置する位置は、第2のスイッチング素子SSと第1のスイッチング素子FSとの間の途中箇所に限らず、種々に変更可能である。
RB 二次電池
SS 第2のスイッチング素子
TS 第3のスイッチング素子
T1,T2 出力端子
YS 第4のスイッチング素子
1 過放電検出回路
Claims (2)
- 負荷側に接続される一対の出力端子の間で二次電池と直列に接続されて二次電池の出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第1のスイッチング素子と、前記二次電池の出力によって前記二次電池が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路と、前記過放電検出回路が出力する前記過放電状態の検出信号に基づいてオン状態とオフ状態とに切換えられて前記過放電状態にあると検出されたときに前記第1のスイッチング素子をオフ状態とする第2のスイッチング素子とが備えられた二次電池の過放電保護回路であって、
前記第1のスイッチング素子がオン状態ではオン状態となり且つ前記第1のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行するに伴ってオン状態からオフ状態に移行するように前記第1のスイッチング素子よりも前記出力端子側の電位に基づいて切換えられる第3のスイッチング素子が備えられ、
前記第2のスイッチング素子が前記第1のスイッチング素子をオフ状態とさせるための通電経路の途中にその通電経路の通電を許容するオン状態と禁止するオフ状態とに切換えられる第4のスイッチング素子が備えられ、
前記第3のスイッチング素子は、オン状態からオフ状態へ移行するに伴って前記第1のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子とをオフ状態とするように接続されて構成されている二次電池の過放電保護回路。 - 前記第2のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタにて構成され、
前記第2のスイッチング素子がオン状態のときに前記第1のスイッチング素子をオフ状態とするように構成され、
前記第4のスイッチング素子は、前記第2のスイッチング素子のベース電流の通電経路に配置されている請求項1記載の二次電池の過放電保護回路。
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